Leichtbauforschung Pfiffige Verbindungstechnik macht Leichtbau-Raketen stabiler

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Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen

Experten an der RWTH Aachen ist es gelungen eine besondere Verbindungsmöglichkeit für Faserverbundbauteile zu entwickeln. Lesen Sie hier, was sie alles kann...

Wissenschaftler und Studenten der RWTH Aachen haben gemeinsam eine lösbare und hochfeste Verbindungstechnologie für eine Modellrakete entwickelt (Siehe Aufmacherbild). Dabei werden vorimprägnierte Fasern (Towpregs) mittels Multifilament Winding (MFW) gewickelt beziehungsweise mittels Tailored Fibre Placement (TFP) verarbeitet und Krafteinleitungselemente im Textil integriert.

Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) sind etablierte Werkstoffe für Anwendungen der Luft- und Raumfahrt. Die Werkstoffe eignen sich für verschiedene Bauteile, zum Beispiel für den Bau von Komponenten für Mittelstrecken-Wettbewerbsraketen, da die spezifische Festigkeit eine entscheidende Rolle spielt. Bei CFK-Raketenkonstruktionen müssen die Finnen mit dem Raketenkörper gefügt werden. Dazu werden meist Bohrungen angebracht und damit lasttragende Fasern durchtrennt. Alternativ können die Komponenten auch geklebt werden, was dazu führt, dass die Finnen nicht demontierbar sind.

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Verstärkungsfasern ohne Materialverschnitt orientierbar

Die Wissenschaftler am Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen haben Möglichkeiten einer hochfesten und lösbaren Verbindung für die Befestigung der Finnen an einem Raketenkörper erforscht. Die Idee basiert auf der textiltechnischen Verarbeitung der zuvor schon erwähnten Towpregs. In den Verfahren MFW und TFP können die Verstärkungsfasern ohne Materialverschnitt entlang der finalen Form orientiert werden. Beide Verfahren erlauben die Integration von Krafteinleitungselementen in den Fertigungsprozess, sodass eine Kraftübertragung in die Faserebene ermöglicht wird. Das MFW-Verfahren zeichnet sich durch die gleichzeitige Zuführung und gestreckte Ablage von mehreren Verstärkungsfasern aus, wodurch Faserondulationen reduziert werden. Dadurch können die Fasern höhere Lasten übertragen. Der Ablagewinkel der Fasern beim MFW-Verfahren liegt im Bereich 0 bis 90°. Außerdem können mit der am ITA befindlichen Anlage verschiedene Profile (in 3D) abgefahren werden. Das TFP-Verfahren leitet sich vom klassischen Stickverfahren ab. Damit lassen sich Verstärkungsfasern variabel-axial und endkonturnah abgelegen, sodass die höchste Fasereffizienz für CFK-Bauteile erreicht werden kann. Durch die kraftflussgerechte Faserablage können eingebrachte Befestigungselemente integriert und Preforms damit funktionalisiert werden.

TFP-Verfahren erhöht die Auszugskraft von Inserts deutlich

Mit beiden Fertigungsprozessen werden Platten mit integrierten Metallinserts (Gewindebuchsen) in der Größe von circa 90 mm × 90 mm hergestellt (Bild 2). Die CFK-Metall-Verbindungen der beiden Verfahren wurden hinsichtlich Festigkeit in Ausreißversuchen (in Anlehnung an ASTM D 7332) geprüft. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die Insertintegration mittels TFP-Verfahren eine um 14 % höhere Ausziehkraft zu erwarten ist. Zusätzlich führt die Delamination der Faserlagen dazu, dass sich ein duktiles Versagensverhalten einstellen lässt. Auf Basis der mechanischen Prüfung wurde ein Konzept zur Herstellung von Preforms mit integrierten Inserts mithilfe des TFP-Verfahrens entwickelt. In Bild 3 ist der Fertigungsprozess mittels TFP-Verfahren dargestellt. Aus jeweils zwei Finnen-Hälften wird die endkonturnahe Finne im Autoklav unter Temperatureinfluss im Vakuum konsolidiert, also ausgehärtet. Bei der finalen Assemblierung können die Finnen in einem Arbeitsschritt durch den gewickelten Raketenkörper gesteckt und damit verschraubt werden. Somit ist eine einfache, lösbare und werkstoffgerechte Verbindung der Finnen mit dem Raketenkörper möglich.

Das Projekt wurde im Rahmen der Kooperation zwischen dem Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen und dem Space Team Aachen umgesetzt. MM

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